Электропроводимость диэлектриков

Электропроводимость изоляционных материалов обуславливается состоянием вещества: газообразным, жидким или твёрдым, а также зависит от влажности и температуры окружающей среды. Некоторое влияние на проводимость диэлектриков оказывает также напряжённость поля в образце, при которой проводится изменение. При длительной работе под напряжением ток через твёрдые и жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение тока со временем говорит о том, что электропроводимость была, обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшалась за счет электрической очистки образца.

Увеличение тока со временем говорит об участии в нем зарядов, являющихся структурными элементами самого материала, и о протекающем в нем необратимом процессе старения напряжения, способном постепенно привести к разрушению диэлектрика.

Электропроводность газов

Газы при небольших значениях напряжённости электрического поля обладают исключительно малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц с молекулами. Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются рентгеновскими лучи, ультрафиолетовые лучи, космические лучи, радиоактивное излучение, а также термическое воздействие (сильный нагрев газа).

Электропроводность газа, обусловленная действием внешних ионизаторов, называется несамостоятельной.

С другой стороны, особенно в разряженных газах, возможно создание электропроводности за счёт ионов, образующихся в результате соударения заряженных частиц с молекулами газа. Ударная ионизация возникает в газе в тех случаях, когда кинетическая энергия заряженных частиц, приобретаемая под действием электрического поля, достигает достаточно больших значений.

Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией, носит название самостоятельной.

В слабых полях ударная ионизация отсутствует и самостоятельной электропроводности не обнаруживается. При ионизации газа, обусловленной внешними факторами, происходит расщепление молекул на положительные и отрицательные ионы. Одновременно часть положительных ионов, соединяясь с отрицательными частями, образует нейтральные молекулы - этот процесс рекомбинация.

Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определённой концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.

Электропроводность жидкостей

Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги; в полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но иногда и диссоциацией молекул самой жидкости. Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещение относительно крупных заряженных коллоидных частиц. Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей заметно повышает их удельное сопротивление. При длительном пропускании электрического тока через нейтральный жидкий диэлектрик также можно наблюдать возрастание сопротивления за счёт переноса свободных ионов к электродам (электрическая очистка). Удельная проводимость любой жидкости сильно зависит от температуры. С увеличением температуры возрастает подвижность ионов в связи с уменьшением вязкости и может увеличиваться степень тепловой диссоциации. Оба эти фактора повышают проводимость. Проводимость возрастает при уменьшение вязкости. При больших напряжённостях электрического поля, порядка 10-100 МВ/м, как показывает опыт, ток в жидкости не подчиняется закону Ома, что объясняется увеличением числа движущихся под влиянием поля ионов.

Электропроводность твёрдых тел

Электропроводность твёрдых тел обуславливается передвижением как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях. Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея.

В процессе прохождения электрического тока через твёрдый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примеси могут частично удалятся, выделяясь на электродах, как это имеет место и в жидкостях.

В твёрдых диэлектриках ионного строения вещества, электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, освобождаемых под влиянием флуктуации теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закреплённые ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах освобождаются и некоторые ионы из узлов кристаллической решётки. В диэлектриках с атомной или молекулярной решёткой электропроводность связана только с наличием примесей, удельная проводимость их весьма мала. В каждом отдельном случае вопрос о механизме электропроводности решается на основании данных об энергии активации носителя заряда.

В телах кристаллического строения с ионной решёткой электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей проводимостью, чем кристаллы с многовалентными ионами. В кристаллах проводимость неодинакова по разным осям кристалла. Так, проводимость кварца в направлении, параллельном главной оси, примерно в 1000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси. Удельная проводимость амфорных тел одинакова во всех направлениях и обуславливается составом материалов и наличием примесей. У высокомолекулярных органических и элементоорганических полимеров она зависит также от степени полимеризации, от степени вулканизации (для эбонита). Органические неполярные аморфные диэлектрики, как, например, полистирол, отличаются очень малой удельной проводимостью.

Поверхностная электропроводность

Поверхностная электропроводность обусловлена присутствием влаги и других загрязнений на поверхности диэлектрика. Вода смягчается, как указывалось выше, значительной удельной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная проводимость, определяемая в основном толщиной этого слоя. Однако, поскольку сопротивление адсорбированной плёнки влаги связанно с природой материала, на поверхности которого она находится, поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Поэтому относительная влажность является важнейшими факторами, определяющим значение удельной поверхностной проводимости диэлектрика.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем ниже поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Наиболее высокими значениями удельного поверхностного сопротивления обладают неполярные диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой.

 

Пробой диэлектриков

Пробоем диэлектрика называют явление, при котором диэлектрик теряет свои электроизолирующие свойства.

В ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое критическое значение, сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрастает до , а сопротивление диэлектрика уменьшается до такого значения, что происходит короткое замыкание электродов.

Значение напряжения в момент пробоя U_np называют пробивным напряжением, напряженность электрического поля Е_пр — электрической прочностью.

В зависимости от свойств изоляции и мощности источника электрической энергии, с помощью которого подается напряжение на образец, после пробоя в изоляции могут наблюдаться следующие изменения. В месте пробоя возникает искра, а при большой мощности источника — даже электрическая дуга, под действием которой происходят оплавление, обгорание, растрескивание и тому подобные изменения диэлектрика и электродов. В пробитом твердом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить пробитое, проплавленное, прожженное отверстие — след пробоя. Если к такому образцу твердой изоляции напряжение приложить повторно, то пробой происходит, как правило, при значительно меньших U, чем U_np,первого пробоя. При пробое газообразных и жидких диэлектриков после снятия U пробитый промежуток восстанавливает первоначальные значения U_np, так как атомы и молекулы газа и жидкости мгновенно диффундируют в объем, который занимали разрушенные в процессе пробоя частицы.

Экспериментально определяемая величина Е_пр зависит от толщины образца диэлектрика, формы и площади электродов, скорости подъема и времени воздействия приложенного напряжения. Значение Е_пр при постоянном токе может сильно отличаться от Е_пр при переменном токе или от Е_пр диэлектрика при воздействии импульсных напряжении. На Е_пр, влияют и другие факторы. Поэтому определение электрической прочности проводится стандартными методами. Только при этом возможны сравнение диэлектриков между собой и контроль их качества.